EP3391480A1 - Laser device with an optical resonator and method for adjusting the laser device - Google Patents

Laser device with an optical resonator and method for adjusting the laser device

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EP3391480A1
EP3391480A1 EP16809007.4A EP16809007A EP3391480A1 EP 3391480 A1 EP3391480 A1 EP 3391480A1 EP 16809007 A EP16809007 A EP 16809007A EP 3391480 A1 EP3391480 A1 EP 3391480A1
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EP
European Patent Office
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optical
resonator
optical resonator
reflection element
laser device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16809007.4A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Sina Scholz-Riecke
Nicolas Kugler
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Rofin Sinar Laser GmbH
Original Assignee
Rofin Sinar Laser GmbH
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Filing date
Publication date
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    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094038—End pumping

Definitions

  • the invention relates to a laser device, in particular a microchip solid state laser comprising an optical resonator with an optically active medium, which is arranged between a first and a second reflection element, which are spaced from each other in a longitudinal direction.
  • An optical resonator length is defined by a distance of the first reflection element from the second reflection element in the longitudinal direction and a longitudinal extension of the medium arranged therebetween and its refractive index.
  • Optical resonators for generating laser radiation are well known from the prior art in different designs.
  • various technical implementations are common, which have in common that an optical resonance space between two reflection elements is limited.
  • at least one optically active medium is arranged, which is optically pumped to produce a population inversion.
  • An air gap may be arranged between the optical medium serving as the amplifier, which is typically a doped solid, and the reflection elements, which may be designed in particular as dielectric mirrors.
  • the reflective element is applied directly as a dielectric coating on the optical medium.
  • optical cavity length is defined by the effective length of the optical path traveled per cycle in the optical cavity.
  • the optical resonator length is therefore the distance of the two resonance elements limiting the reflection elements and the expansion of the Circulation of transmitted optically active media and their refractive indices determined.
  • the optical cavity length determines the spectral mode spacing of the longitudinal modes for which the resonance condition is satisfied. The spectral location of these longitudinal modes within the gain bandwidth essentially determines the degree of amplification.
  • the optical resonator length is so short that the spectral mode spacing corresponds approximately to the spectral bandwidth of the gain spectrum. Operation with essentially only one swinging longitudinal mode can be achieved without the use of spectrally selective elements if the wavelength of a dominant resonator mode with good accuracy corresponds to the wavelength of the gain maximum of the gain spectrum.
  • two resonator modes can oscillate if the gain maximum lies in the middle between the two modes and the two modes thus experience a similarly high gain.
  • a 1060 nm microchip laser with Nd: YVO can be considered as an optically active medium.
  • the mode spacing is 570 pm, comparable to the gain bandwidth of Nd: YVO, which is approximately 1 nm.
  • this precise adjustment of the optical resonator length is achieved either via a piezoelectric element, or via the thermal expansion of a mechanical holder.
  • both options have the disadvantage that the long-term stability of the structure is not always ensured. can be made, and external influences such. B. the air temperature can easily influence the mode wavelength.
  • Electro-optically adjustable microchip solid-state lasers are known, for example, from J. J. Zayhowski, Optical Materials, 11, 1999, pp. 255-267.
  • a passively Q-switched microchip solid-state laser with a pulse length below 1 ns is known in which the amplifier medium, also called laser medium or crystal, and the saturable absorber are sections of the same crystal or are otherwise inseparably connected to each other.
  • WO 2014/051847 A1 describes a monolithic microchip solid-state laser with built-in solid state etalon for the selection of the mode wavelength.
  • the etalon may be implemented as an undoped portion of the laser crystal.
  • the interface between etalon and laser crystal has a non-zero reflectivity for the signal light.
  • No. 8964800 B2 describes another microchip solid-state laser with plane-parallel resonator mirrors. Between laser crystal and saturable absorber, a coating with high reflectivity for the pump light is provided. The mode wavelength is in one embodiment on the heating of the laser crystal and possibly. of the saturable absorber set. The saturable absorber is separated from the laser crystal by an air gap.
  • a laser device has a device for coupling the pump laser beam into an optical resonator, wherein the coupled
  • the optical resonator for the laser device in particular for a microchip solid-state laser, comprises an optically active medium, which is arranged between a first and a second reflection element.
  • the two reflection elements are spaced from each other in a longitudinal direction.
  • An optical resonator length of the optical resonator is predetermined by a distance of the first reflection element from the second reflection element in the longitudinal direction and a longitudinal extent of the medium arranged therebetween and its refractive index.
  • the optical resonator length varies in at least one lateral direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • the device and the optical resonator are adjustable relative to each other in such a way that the position of the pumped-in laser beam coupled in is variable at least with respect to the lateral direction running perpendicular to the longitudinal direction.
  • the core of the invention is thus to form an optical resonator such that its optical resonator length varies slightly in the lateral direction.
  • An adjustment of the mode wavelength can be effected by selectively selecting a region of the optical resonator which defines a resonator length suitable for mode amplification.
  • the pumping light or laser light provided by a pumping light source or laser source be coupled in substantially parallel to the longitudinal direction.
  • the wavelength to which the resonance condition applies is determined by the optical resonator length.
  • the optical resonator length is defined in the present specification by the effective length of the optical Way, which is traveled per revolution in the optical resonator.
  • the distance of the two reflection elements is relevant.
  • the longitudinal extent of the optical media transmitted per revolution and their refractive indices, in particular of the optically active media must also be taken into account.
  • These may include, for example, an optical amplifier medium, in particular an at least partially doped laser crystal or a saturable absorber.
  • the resonators considered here are at least approximately stable.
  • the effective optical path length defining the resonator length varies only slightly in the lateral direction.
  • optical resonator allows a particularly precise adjustment of the resonator modes to be amplified while maintaining high thermal stability.
  • the device for coupling the pump laser beam is used in the adjustment to specify in particular the lateral position of the coupled pump laser beam with respect to the optical resonator. Since the optical resonator has partial regions with different resonator lengths, which can be activated in a targeted manner by displacing the coupled-pump laser beam in the lateral direction, this makes possible a particularly precise and robust possibility of adjustment.
  • the resonator length varies only slightly in the lateral direction, that is to say that the relative displacement of the pump laser beam and optical resonator in the lateral direction is typically orders of magnitude greater than the path length difference to be set for the optical resonator length, which is only a few with microchip solid-state lasers Nanometers lies. This allows a particularly accurate specification of the desired resonator length.
  • a resonator length varying in the lateral direction is by a slight tilting of the reflection elements, in particular the resonator mirrors.
  • the tilting of the reflection elements or the resonator mirror is to be chosen so small that the laser mode and the At least partially overlap pump volume, so that the laser mode can experience a gain.
  • the overlap between laser mode and pump volume is preferably 30% or more.
  • the pumping volume is essentially defined by the spatial extent of a pumping laser beam coupled into the resonator.
  • the small change in length of the resonator length in the direction of propagation required for adjustment can be translated into a larger change transversely, ie laterally thereto. If, for example, the tilting is 0.5 mrad, a change in the resonator length of 47 nm corresponds to a lateral displacement of approximately 94 pm. This larger displacement transversely to the beam direction can be much easier to adjust and permanently stabilize than an immediate adjustment of the resonator in propagation or beam direction, which must be accurate to a few nanometers in this case.
  • the tilting of the resonator mirrors with respect to each other is for example 0, 1 to 5 mrad, preferably 0, 1 to 1 mrad, particularly preferably 0.2 to 0.5 mrad.
  • the entire optical resonator can be moved opposite a stationary pump laser beam or the pump laser beam can be displaced against a stationary optical resonator.
  • the slight lateral variation of the resonator length is realized by the optical media disposed in the resonator.
  • the extent of the optical media in the propagation direction is different for different lateral positions, so that the optical path traveled by the pumping laser beam d varies slightly.
  • An adjustment can also be made here in a particularly advantageous manner so that the lateral position of the pump laser beam is changed until the desired resonator mode or the desired resonator modes are amplified.
  • the first and the second reflection element are preferably designed as a mirror, whose essentially mirror-shaped mirror surfaces are aligned differently tilted from a planparal lelen Anord nu ng to each other.
  • the first and the second reflection element are arranged at such a small angle to one another that a resonator that is at least approximately stable is formed.
  • This embodiment thus essentially relates to a Fabry-Perot resonator, since the deviation from the plane-parallel alignment is so small that no relevant impairment of the stability criteria takes place.
  • the first and / or second reflection element have at least sections of a configuration for forming a stable resonator.
  • a slight curvature causes a change in the diameter of a mode volume defined by the laser mode rotating in the resonator.
  • the Krü mmung of the reflection element or the reflection elements is preferably selected such that the diameter of the mode volume is optimally adapted to the Du rchmesser the Pumpvolu mens.
  • the optical medium comprises a laser crystal, whose substantially planar side surfaces facing the first and the second reflection element extend in an arrangement deviating from a plane-parallel arrangement.
  • the variation of the resonator length is not predetermined by the arrangement of the reflection elements, but by the longitudinal extent of the area of the laser crystal transmitted during the circulation.
  • the laser crystal is substantially wedge-shaped, so that depending on the lateral position of the pump laser beam, a different length of optical path has to be covered.
  • optical medium firmly to the first and / or the second reflection element.
  • the optical medium is fixed, in particular insoluble by means of diffusion bonding, spin-on glass or other joining techniques known per se connected to one of the reflection elements in order to reduce the number of degrees of freedom to be calibrated.
  • air gaps within the resonator are at least partially avoided, which can cause stability problems due to the operationally occurring thermal expansion.
  • the first or second reflection element is a saturable absorber.
  • the saturable absorber acts as a passive switching element, in particular as a highly reflective rear mirror or as a passive decoupling element, which changes its transmission behavior for the laser radiation amplified in the resonator abruptly when the energy density within the resonator exceeds a predefinable threshold.
  • the optical resonator is thus designed as a passively switched laser resonator in order to generate laser pulses with high intensity and short pulse durations.
  • the above object is achieved by a method for adjusting a laser device with the further features of claim 8.
  • the pump laser beam is coupled into the optical resonator such that it propagates within the optical resonator substantially parallel to the longitudinal direction.
  • the position of the pump laser beam is changed, at least with respect to the lateral direction perpendicular to the longitudinal direction, in order to select a region of the optical resonator with a prescribable optical resonator length.
  • the desired resonator length is selected in particular with regard to the resonator modes to be amplified, it is thus intended to selectively activate a subregion of the optical resonator such that the wavelength or wavelengths of one or more predetermined resonator modes lie or lie within the gain spectrum of the optical medium ,
  • FIG. 1 an optical resonator according to a first embodiment of the invention in a schematic sectional view
  • FIG. 2 shows an optical resonator according to a second embodiment
  • FIG. 3 shows an optical resonator according to a third embodiment
  • Fig. 4 shows an optical resonator according to a fourth embodiment
  • Fig. 5 shows an optical resonator according to a fifth embodiment
  • FIG. 6 shows an optical resonator according to a sixth embodiment
  • FIG. an optical resonator according to a seventh embodiment
  • FIG. 1 schematically a laser device with one of the optical resonators shown in Figures 1 to 8 and a device for coupling a pump laser beam;
  • FIG. 1 shows an optical resonator 1 according to a first embodiment.
  • the optical resonator 1 comprises a first reflection element 2 and a second reflection element 3.
  • An optically active medium 4 is arranged between the two reflection elements 2, 3.
  • the optically active medium 4 provided for laser amplification is a laser crystal.
  • the first reflection element 2 is designed as a coupling-out mirror, which is separated by an air gap 8 from the optical medium 4 or from the laser crystal.
  • the optical medium is in turn separated by a further air gap 9 from the second reflection element 3, which is designed as a rear mirror.
  • the laser crystal acting as the optical medium 4 has two end faces 5, 6 arranged plane-parallel to each other.
  • the output as output mirror guided first reflection element 2 and designed as a rear mirror second reflection element 3 are arranged tilted to each other and thus are at an acute angle to each other.
  • the further air gap 9 extending between the second reflection element 3 and the end face 6 of the optical medium 4 is wedge-shaped.
  • the air gap 8 between the optical medium 4 and the second reflection element 3 designed as a rear mirror is wedge-shaped or both air gaps 8, 9 are wedge-shaped.
  • the optical medium 4 embodied as a laser crystal can be coated in order to achieve a defined reflectivity for the signal and / or pump light.
  • either the first or the second reflection element 2, 3 has a high transmission for the wavelength of the pump light or the pump laser beam.
  • either the first or the second reflection element 2, 3 is designed as a saturable absorber.
  • the reflection elements 2, 3 of the embodiment shown in Figure 2 are mirrors with flat mirror surfaces 10, 11, which are tilted to each other.
  • the mirror surfaces 10, 11 have a slight curvature in order to adapt the mode volume claimed by the laser mode circulating in the optical resonator to the pumping volume defined by the pump laser beam. It is understood that the schematic representation shown in FIGS. 1 to 14, in particular of the optical resonator 1, is not true to scale.
  • the tilting of the reflection elements 2, 3 relative to one another or the wedge-shaped formation of the optically active medium 4 and / or the air gaps 8, 9 between them is shown greatly oversubscribed in order to vary the resonator length for different positions of the pump laser beam with respect to one another lateral direction L to illustrate.
  • the resonator length transmitted by the pump laser beam per revolution varies only slightly.
  • the pumping laser beam propagates within the optical resonator 1 essentially in the longitudinal direction P.
  • the tilting of the two reflection elements 2, 3 has no noticeable influence on the stability of the formed optical resonator 1.
  • FIGS. 2 to 10 show further exemplary embodiments of the optical resonator 1. These exemplary embodiments differ essentially in the specific arrangement of the reflection elements 2, 3 relative to one another or in the specific geometric design of the optically active medium 4, ie. H. of the laser crystal.
  • the optical medium 4 is wedge-shaped according to various embodiments, d. H. the two end faces 5, 6 of the optical medium 4 do not run plane-parallel to each other, but at an angle to each other.
  • Such embodiments also define a varying resonator length for different lateral positions.
  • FIG. 2 shows an optical resonator 1 according to a second embodiment.
  • the first reflection element 2 designed as output mirror is separated from the optically active medium 4 by the air gap 8.
  • the optically active medium 4 is in turn separated by the air gap 9 from the second reflection element 3, which is designed as a rear-side mirror.
  • the optically active medium 4 is a wedge-shaped laser crystal.
  • the mirror surface 10 of the first reflection element 2 or the Auskoppelwigs extends plane-parallel with respect to the opposite end face 5 of the optical medium 4th
  • the second reflecting element 3 embodied as a rear mirror is plane-parallel to the opposite end face 6 of the optical medium 4.
  • the end face 6, as illustrated in the embodiment of FIG. 3 may be arranged at an angle relative to the second reflecting element 3.
  • Outcoupling mirror and rear mirror can be plane-parallel to each other ( Figure 3), or, as illustrated in Figure 2, form an angle to each other.
  • the first reflection element 2, which is designed as a coupling-out mirror is inseparably connected to the optical medium 4.
  • the inseparable connection between the optical medium 4 and the first reflection element 2 can be realized, for example, by a dielectric coating on the optical medium 4 designed as a laser crystal, or by bonding or gluing a coupling-out mirror onto the laser crystal.
  • the optical medium 4 or the laser crystal is separated by the air gap 9 from the second reflection element 3, which serves as a back mirror.
  • the laser crystal is plane-parallel in this case, the air gap 9 is wedge-shaped.
  • the side of the optically active medium 4 opposite the first reflection element 2 can be coated in order to achieve a defined reflectivity for the signal and / or pump light.
  • the first reflection element 2 is inseparably connected to the optical medium 4.
  • the second reflection element 3 or its plane mirror surface 11 extends parallel to the opposite end surface 6 of the optical medium 4.
  • the mirror surface 11 of the second reflection element 3 extends with respect to the end face 6 of the optical element Medium 4 at an acute angle.
  • the optical medium 4 is wedge-shaped whose end faces extend at an angle to one another.
  • the first reflection element 2 serving as a coupling-out mirror is separated from the optical medium 4 by an air gap 8.
  • the optical medium 4 is plane-parallel, the air gap 8 is wedge-shaped.
  • the second reflection element 3 designed as a rear-view mirror is inseparably connected to the optical medium 4. This can be z. B. by a dielectric coating on the laser be realized crystal, or by bonding or gluing the rear mirror on the laser crystal.
  • the free end face 5 of the laser crystal can be coated in order to achieve a defined reflectivity for the signal and / or pump light.
  • the first reflection element 2 designed as a coupling-out mirror is separated from the optical medium 4 by the air gap 8.
  • Dasa optical medium 4 is wedge-shaped, the air gap is, as shown in Figure 8, plane-parallel or alternatively, as shown in Figure 9, wedge-shaped.
  • the second reflecting element 3, which is designed as a rear-side mirror, is inseparably connected to the optical medium 4 in the eighth or ninth embodiment of FIGS. 8 and 9, respectively.
  • the free end face 5 of the laser crystal can be coated in order to achieve a defined reflectivity for the signal and / or pump light.
  • Either the decoupling or the rear mirror is designed such that it has a high transmission for the pump light.
  • Either the decoupling or the rear mirror can be designed as a saturable absorber.
  • the resonator mirrors are preferably planar, but may also have a curvature that is so small that a stable resonator 1 is formed.
  • the first reflection element 2 serving as a coupling-out mirror and the second reflection element 3 serving as a backside mirror are connected inseparably to the optical medium 4 designed as a laser crystal.
  • the first and second reflection elements 2, 3 are realized by dielectric coating on the optical medium 4.
  • the laser crystal functioning as the optical medium 4 has a wedge-shaped shape.
  • the first and second reflection elements 2, 3 are connected to the optical medium 4 by bonding or gluing.
  • the optical resonator 1 contains in a further development of the invention additional discrete optical elements, such as active Q-switches or saturable absorbers 12. Such a modification of the optical resonator 1 is provided independently of its concrete design, in particular all of the geometries shown in Figures 1 to 10 are possible ,
  • the reflection elements 2, 3 can be implemented as saturable absorbers in any of the examples shown.
  • FIGS 11 and 12 illustrate schematically the eleventh and twelfth embodiments of the invention.
  • the optical medium 4 is a doped laser crystal which has a plurality of sections 4a, 4b which differ with respect to the nature of their doping and / or their doping concentration.
  • the first section 4a serves as an amplifier medium which generates the optical gain.
  • the second section 4b is a saturable absorber 12. Both sections 4a, 4b are inextricably linked.
  • one of the two sections 4a, 4b is undoped.
  • the first portion 4a and the second portion 4b are doped with doping atoms or ions of the same chemical element or, in an alternative embodiment, with doping atoms or ions of different chemical elements.
  • the optical medium 4 has in a possible, unspecified exemplary embodiment additionally an undoped portion, which serves to improve the heat dissipation from the laser-active first section 4a. Coatings may additionally be applied between the different crystal sections in order to achieve a defined reflectivity for the signal and / or pump light.
  • the sections 4a, 4b may be cuboid or wedge-shaped.
  • the laser-active first section 4a as shown in FIG. 11, can have two plane-parallel opposite end faces and the saturable absorber 12 can be wedge-shaped.
  • FIGS. 13 and 14 schematically illustrate a laser device 20 having one of the optical resonators 1 described above.
  • the concrete exemplary embodiment of FIG. 10 is shown in FIGS. 13 and 14, it being understood that all the other optical resonators 1 described above can be used in an analogous manner in the laser device 20.
  • the laser device 20 has the optical resonator 1, which defines an optical resonator length, which varies as a function of the lateral positioning of a coupled-pump laser beam S.
  • the pump laser beam S can be coupled into the optical resonator 1 by means of the device 21, wherein the positioning of the pump laser beam S can be predetermined in particular with regard to the lateral direction L.
  • the device 21 and the optical resonator 1 relative to each other are adjustable so that the area transmitted by the pumping laser beam S in circulation in the resonant space can be selected specifically.
  • the relative positioning of the device 21 and the optical resonator 1 thus determines the effective resonator length and thus the spectral mode spacing of the resonator modes to be amplified.
  • the laser device 20 is adjusted by displacing the optical resonator 1 in the lateral direction L with respect to a stationary device 21, which provides the pump laser beam S. This is indicated in Figure 13 by the double arrow 22.
  • the laser device 20 is adjusted by adjusting the device 21 with respect to the stationary optical resonator 1. Again, a range of the optical resonator 1 is selected, which is a suitable Resonator length by the positioning of the pumping laser beam S with respect to the lateral direction L is set.
  • the invention has been described above with reference to preferredjarsbeispie- le. It is understood, however, that the invention is not limited to the specific embodiment of the exemplary embodiments shown, but rather the person skilled in the art can derive variations from the description without departing from the essential basic idea of the invention.
  • at least one of the two reflection elements 2, 3 can be embodied as a saturable absorber 12.
  • Any free end faces 5, 6 of the optical medium 4 may be provided with coatings in order to suitably adjust the reflectivity for the pumping and / or the signal light for the laser amplification.
  • the schematically illustrated resonators 1 may have a slight curvature, so that they correspond to the stability criteria.

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Abstract

The invention relates to an optical resonator (1) for a laser device (20), in particular for a microchip solid-state laser, comprising an optical medium (4) which is arranged between a first and a second reflective element (2, 3) that are arranged at a distance from one another in a longitudinal direction (P). The optical resonator length is specified by the distance from the first reflective element (2) to the second reflective element (3) in the longitudinal direction (P), the longitudinal extent of the medium (4) arranged between the reflective elements, and the refractive index thereof. According to the invention, the optical resonator length varies in at least one lateral direction (L) running perpendicularly to the longitudinal direction (P). The invention further relates to a laser device (20) comprising such a resonator (1) and to a method for adjusting the laser device (20).

Description

LASERVORRICHTUNG MIT EINEM OPTISCH EN RESONATOR UN D VERFAH REN ZUM JUSTIEREN DER LASERVORRICHTUNG  LASER DEVICE WITH AN OPTICAL EN RESONATOR AND METHOD FOR ADJUSTING THE LASER DEVICE
Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung, insbesondere einen Mikrochip- Festkörperlaser umfassend einen optischen Resonator mit einem optisch aktiven Medium, welches zwischen einem ersten und einem zweiten Reflexionselement angeordnet ist, die voneinander in einer longitudinalen Richtung beabstandet sind . Eine optische Resonatorlänge ist durch einen Abstand des ersten Reflexionselements vom zweiten Reflexionselement in longitudinaler Rich- tung und einer longitudinalen Ausdehnung des dazwischen angeordneten Mediums und dessen Brechungsindex definiert. The invention relates to a laser device, in particular a microchip solid state laser comprising an optical resonator with an optically active medium, which is arranged between a first and a second reflection element, which are spaced from each other in a longitudinal direction. An optical resonator length is defined by a distance of the first reflection element from the second reflection element in the longitudinal direction and a longitudinal extension of the medium arranged therebetween and its refractive index.
Optische Resonatoren zur Erzeugung von Laserstrahlung sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungen hinlänglich bekannt. Hierzu sind insbesondere verschiedene technische Realisierungen gängig, die gemein haben, dass ein optischer Resonanzraum zwischen zwei Reflexionselementen begrenzt wird . Im optischen Resonanzraum ist zumindest ein optisch aktives Medium angeordnet, welches optisch gepumpt wird, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen. Zwischen dem als Verstärker dienenden optischen Medium, welches typischerweise ein dotierter Festkörper ist, und den Reflexionselementen, welche insbesondere als dielektrische Spiegel ausgeführt sein können, kann ein Luftspalt angeordnet sein. In anderen Fällen ist das Reflexionselement direkt als dielektrische Beschichtung auf dem optischen Medium aufgebracht. Optical resonators for generating laser radiation are well known from the prior art in different designs. For this purpose, in particular various technical implementations are common, which have in common that an optical resonance space between two reflection elements is limited. In the optical resonance space, at least one optically active medium is arranged, which is optically pumped to produce a population inversion. An air gap may be arranged between the optical medium serving as the amplifier, which is typically a doped solid, and the reflection elements, which may be designed in particular as dielectric mirrors. In other cases, the reflective element is applied directly as a dielectric coating on the optical medium.
Darüber hinaus ist es bekannt, im optischen Resonator weitere optisch aktive Elemente wie insbesondere sättigbare Absorber anzuordnen, die als passive Güteschalter fungieren. Die optische Resonatorlänge ist definiert durch die effektive Länge des optischen Wegs, welcher pro Umlauf im optischen Resonator zurückgelegt wird. Die optische Resonatorlänge wird daher vom Abstand der beiden den Resonanzraum begrenzenden Reflexionselemente und die Ausdehnung der beim Umlauf transmittierten optisch aktiven Medien und deren Brechungsindices bestimmt. Die optische Resonatorlänge bestimmt den spektralen Modenabstand der longitudinalen Moden, für die die Resonanzbedingung erfüllt ist. Die spektrale Lage dieser longitudinalen Moden innerhalb der Gewinnbandbreite bestimmt im Wesentlichen den Grad der Verstärkung. Moreover, it is known to arrange in the optical resonator further optically active elements, in particular saturable absorbers, which function as passive Q-switches. The optical cavity length is defined by the effective length of the optical path traveled per cycle in the optical cavity. The optical resonator length is therefore the distance of the two resonance elements limiting the reflection elements and the expansion of the Circulation of transmitted optically active media and their refractive indices determined. The optical cavity length determines the spectral mode spacing of the longitudinal modes for which the resonance condition is satisfied. The spectral location of these longitudinal modes within the gain bandwidth essentially determines the degree of amplification.
Bei Mikrochip-Festkörperlasern ist die optische Resonatorlänge derart kurz, dass der spektrale Modenabstand in etwa der spektralen Bandbreite des Gewinnspektrums entspricht. Ein Betrieb mit im Wesentlichen nur einer schwin- genden longitudinalen Mode kann ohne den Einsatz spektral selektiver Elemente erreicht werden, wenn die Wellenlänge einer dominanten Resonatormode mit guter Genauigkeit der Wellenlänge des Gewinn-Maximums des Gewinnspektrums entspricht. Andererseits können, insbesondere im gütegeschalteten Fall, zwei Resonatormoden anschwingen, wenn das Gewinnmaximum mittig zwischen beiden Moden liegt und die beiden Moden so einen ähnlich hohen Gewinn erfahren. Zur Justierung der Laservorrichtung ist es also nötig, die Wellenlänge der Resonatormoden auf Größenordnungen von einigen 10 pm zu kontrollieren, um zuverlässig ein einzelmodiges Verhalten zu erzielen. Ein weiterer Vorteil dieser Wellenlängenkontrolle zeigt sich bei der Nachverstärkung des durch den Mikrochiplaser erzeugten Lichts, da man hier die Wellenlänge so anpassen kann, dass der Verstärker seine optimale Effizienz erreicht. In the case of microchip solid-state lasers, the optical resonator length is so short that the spectral mode spacing corresponds approximately to the spectral bandwidth of the gain spectrum. Operation with essentially only one swinging longitudinal mode can be achieved without the use of spectrally selective elements if the wavelength of a dominant resonator mode with good accuracy corresponds to the wavelength of the gain maximum of the gain spectrum. On the other hand, in particular in the Q-switched case, two resonator modes can oscillate if the gain maximum lies in the middle between the two modes and the two modes thus experience a similarly high gain. To adjust the laser device, it is therefore necessary to control the wavelength of the resonator modes to the order of magnitude of a few tens of microns, in order to reliably achieve a single-mode behavior. Another advantage of this wavelength control is shown in the amplification of the light generated by the microchip laser, since here you can adjust the wavelength so that the amplifier reaches its optimum efficiency.
Als Beispiel kann ein Mikrochip-Festköperlaser bei 1064 nm mit Nd :YVO als optisch aktives Medium betrachtet werden. Bei einer typischen optischen Re- sonatorlänge von 1 mm ergibt sich ein Modenabstand von 570 pm, vergleichbar mit der Gewinnbandbreite von Nd :YVO, die in etwa 1 nm beträgt. Um nun die Modenwellenlänge, für die die Resonanzbedingung gilt, um 50 pm zu ändern, ist eine Änderung der optischen Resonatorlänge um 47 nm nötig. Im Stand der Technik wird diese präzise Justierung der optischen Resonatorlänge entweder über ein piezoelektrisches Element erreicht, oder über die thermische Ausdehnung eines mechanischen Halters. Beide Möglichkeiten haben jedoch den Nachteil, dass die Langzeitstabilität des Aufbaus nicht immer sicher- gestellt werden kann, und äußere Einflüsse wie z. B. die Lufttemperatur leicht Einfluss auf die Modenwellenlänge nehmen können. As an example, a 1060 nm microchip laser with Nd: YVO can be considered as an optically active medium. At a typical optical resonator length of 1 mm, the mode spacing is 570 pm, comparable to the gain bandwidth of Nd: YVO, which is approximately 1 nm. In order to change the mode wavelength for which the resonance condition applies by 50 pm, it is necessary to change the optical resonator length by 47 nm. In the prior art, this precise adjustment of the optical resonator length is achieved either via a piezoelectric element, or via the thermal expansion of a mechanical holder. However, both options have the disadvantage that the long-term stability of the structure is not always ensured. can be made, and external influences such. B. the air temperature can easily influence the mode wavelength.
Elektrooptisch einstellbare Microchip-Festkörperlaser sind beispielsweise aus J. J. Zayhowski, Optical Materials, 11, 1999, S. 255 - 267 bekannt. Electro-optically adjustable microchip solid-state lasers are known, for example, from J. J. Zayhowski, Optical Materials, 11, 1999, pp. 255-267.
Aus EP 0744089 Bl ist beispielsweise ein passiv gütegeschalteter Mikrochip- Festkörperlaser mit einer Pulslänge unter 1 ns bekannt, bei dem das Verstärkermedium, auch Lasermedium oder -kristall genannt, und der sättigbare Ab- sorber Abschnitte desselben Kristalls sind oder anderweitig untrennbar miteinander verbunden sind. From EP 0744089 Bl, for example, a passively Q-switched microchip solid-state laser with a pulse length below 1 ns is known in which the amplifier medium, also called laser medium or crystal, and the saturable absorber are sections of the same crystal or are otherwise inseparably connected to each other.
WO 2014/051847 AI beschreibt einen monolithischen Mikrochip- Festkörperlaser mit eingebautem Festkörper-Etalon für die Selektion der Mo- denwellenlänge. Das Etalon kann als undotierter Abschnitt des Laserkristalls ausgeführt sein. Die Grenzfläche zwischen Etalon und Laserkristall hat eine von Null verschiedene Reflektivität für das Signallicht. WO 2014/051847 A1 describes a monolithic microchip solid-state laser with built-in solid state etalon for the selection of the mode wavelength. The etalon may be implemented as an undoped portion of the laser crystal. The interface between etalon and laser crystal has a non-zero reflectivity for the signal light.
US 8964800 B2 beschreibt einen weiteren Mikrochip-Festkörperlaser mit plan- parallelen Resonatorspiegeln. Zwischen Laserkristall und sättigbarem Absorber ist eine Beschichtung mit hoher Reflektivität für das Pumplicht vorgesehen. Die Modenwellenlänge wird in einem Ausführungsbeispiel über die Erwärmung des Laserkristalls und evtl . des sättigbaren Absorbers eingestellt. Der sättigbare Absorber ist durch einen Luftspalt vom Laserkristall getrennt. No. 8964800 B2 describes another microchip solid-state laser with plane-parallel resonator mirrors. Between laser crystal and saturable absorber, a coating with high reflectivity for the pump light is provided. The mode wavelength is in one embodiment on the heating of the laser crystal and possibly. of the saturable absorber set. The saturable absorber is separated from the laser crystal by an air gap.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Justierung des optischen Resonators bzw. die diesen optischen Resonator aufweisende Laservorrichtung weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laservorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. It is an object of the present invention to further improve the adjustment of the optical resonator or the laser device having this optical resonator. This object is achieved by a laser device having the characterizing features of patent claim 1.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine Laservorrichtung weist eine Einrichtung zum Einkoppeln des Pump- Laserstrahls in einen optischen Resonator auf, wobei der eingekoppelte Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. A laser device has a device for coupling the pump laser beam into an optical resonator, wherein the coupled
Pumplaserstahl im optischen Resonator parallel zur longitudinalen Richtung propagiert. Der optische Resonator für die Laservorrichtung, insbesondere für einen Mikrochip-Festkörperlaser, umfasst ein optisch aktives Medium, welches zwischen einem ersten und einem zweiten Reflexionselement angeordnet ist. Die beiden Reflexionselemente sind voneinander in einer longitudinalen Richtung beabstandet. Eine optische Resonatorlänge des optischen Resonators ist durch einen Abstand des ersten Reflexionselements vom zweiten Reflexions- element in longitudinaler Richtung und einer longitudinalen Ausdehnung des dazwischen angeordneten Mediums und dessen Brechungsindex vorgegeben. Pumplaserstahl propagated in the optical resonator parallel to the longitudinal direction. The optical resonator for the laser device, in particular for a microchip solid-state laser, comprises an optically active medium, which is arranged between a first and a second reflection element. The two reflection elements are spaced from each other in a longitudinal direction. An optical resonator length of the optical resonator is predetermined by a distance of the first reflection element from the second reflection element in the longitudinal direction and a longitudinal extent of the medium arranged therebetween and its refractive index.
Gemäß der Erfindung variiert die optische Resonatorlänge in zumindest einer senkrecht zur longitudinalen Richtung verlaufenden lateralen Richtung. Die Einrichtung und der optische Resonator sind derart zueinander verstellbar, dass die Position des eingekoppelten Pump-Laserstrahls zumindest bezüglich der senkrecht zur longitudinalen Richtung verlaufenden lateralen Richtung veränderbar ist. Kern der Erfindung ist somit, einen optischen Resonator derart auszubilden, dass dessen optische Resonatorlänge in der lateralen Richtung geringfügig variiert. Eine Justierung der Modenwellenlänge kann dadurch erfolgen, dass gezielt ein Bereich des optischen Resonators ausgewählt wird, der eine zur Modenverstärkung geeignete Resonatorlänge definiert. Hierzu ist vorgesehen, das von einer Pumplichtquelle bzw. -laserquelle bereitgestellte Pumplicht bzw. - laserlicht im Wesentlichen parallel zur longitudinalen Richtung einzukoppeln. Durch Verschieben des Pump-Laserstrahls in lateraler Richtung ändert sich auch die laterale Position der Lasermode und damit die Resonatorlänge, welche die Resonanzbedingung für die zu verstärkenden Moden festlegt. According to the invention, the optical resonator length varies in at least one lateral direction perpendicular to the longitudinal direction. The device and the optical resonator are adjustable relative to each other in such a way that the position of the pumped-in laser beam coupled in is variable at least with respect to the lateral direction running perpendicular to the longitudinal direction. The core of the invention is thus to form an optical resonator such that its optical resonator length varies slightly in the lateral direction. An adjustment of the mode wavelength can be effected by selectively selecting a region of the optical resonator which defines a resonator length suitable for mode amplification. For this purpose, it is provided that the pumping light or laser light provided by a pumping light source or laser source be coupled in substantially parallel to the longitudinal direction. By shifting the pump laser beam in the lateral direction, the lateral position of the laser mode and thus the resonator length, which determines the resonance condition for the modes to be amplified, also change.
Die Wellenlänge, für die die Resonanzbedingung gilt, wird von der optischen Resonatorlänge festgelegt. Die optische Resonatorlänge wird im Rahmen der vorliegenden Spezifikation definiert durch die effektive Länge des optischen Wegs, welcher pro Umlauf im optischen Resonator zurückgelegt wird. Hierfür ist zum einen der Abstand der beiden Reflexionselemente maßgeblich. Zum anderen ist auch die longitudinale Ausdehnung der pro Umlauf transmittierten optischen Medien und deren Brechungsindices, insbesondere der optisch akti- ven Medien zu berücksichtigen. Diese können beispielsweise ein optisches Verstärkermedium, insbesondere einen zumindest abschnittsweise dotierten Laserkristall oder einen sättigbaren Absorber umfassen. The wavelength to which the resonance condition applies is determined by the optical resonator length. The optical resonator length is defined in the present specification by the effective length of the optical Way, which is traveled per revolution in the optical resonator. For this purpose, on the one hand, the distance of the two reflection elements is relevant. On the other hand, the longitudinal extent of the optical media transmitted per revolution and their refractive indices, in particular of the optically active media, must also be taken into account. These may include, for example, an optical amplifier medium, in particular an at least partially doped laser crystal or a saturable absorber.
Die hier betrachteten Resonatoren sind zumindest näherungsweise stabil. Die die Resonatorlänge definierende effektive optische Weglänge variiert in lateraler Richtung nur geringfügig. The resonators considered here are at least approximately stable. The effective optical path length defining the resonator length varies only slightly in the lateral direction.
Die besondere Ausbildung des optischen Resonators ermöglicht eine besonders präzise Justierung der zu verstärkenden Resonatormoden bei gleichzeitig hoher thermischer Stabilität. The special design of the optical resonator allows a particularly precise adjustment of the resonator modes to be amplified while maintaining high thermal stability.
Die Einrichtung zum Einkoppeln des Pump-Laserstrahls dient bei der Justierung dazu, insbesondere die laterale Position des eingekoppelten Pump-Laserstrahls bezüglich des optischen Resonators festzulegen. Da der optische Resonator Teilbereiche mit unterschiedlichen Resonatorlängen aufweist, welche gezielt durch ein Verschieben des eingekoppelten Pump-Laserstrahls in lateraler Richtung aktiviert werden können, ist hierdurch eine besonders präzise und robuste Möglichkeit der Justierung ermöglicht. Die Resonatorlänge variiert nur geringfügig in lateraler Richtung, das heißt, dass die relative Verschiebung von Pump-Laserstrahl und optischem Resonator in lateraler Richtung typischerweise um Größenordnungen größer ist, als die einzustellende Weglängendifferenz der optischen Resonatorlänge, welche insbesondere bei Mikrochip- Festkörperlasern bei nur einigen wenigen Nanometern liegt. Dadurch ist eine besonders genaue Vorgabe der gewünschten Resonatorlänge ermöglicht. The device for coupling the pump laser beam is used in the adjustment to specify in particular the lateral position of the coupled pump laser beam with respect to the optical resonator. Since the optical resonator has partial regions with different resonator lengths, which can be activated in a targeted manner by displacing the coupled-pump laser beam in the lateral direction, this makes possible a particularly precise and robust possibility of adjustment. The resonator length varies only slightly in the lateral direction, that is to say that the relative displacement of the pump laser beam and optical resonator in the lateral direction is typically orders of magnitude greater than the path length difference to be set for the optical resonator length, which is only a few with microchip solid-state lasers Nanometers lies. This allows a particularly accurate specification of the desired resonator length.
Eine Möglichkeit, eine in lateraler Richtung variierende Resonatorlänge zu implementierten, ist durch eine leichte Verkippung der Reflexionselemente, insbesondere der Resonatorspiegel. Die Verkippung der Reflexionselemente bzw. der Resonatorspiegel ist so klein zu wählen, dass sich die Lasermode und das Pumpvolumen zumindest teilweise überlappen, damit die Lasermode eine Verstärkung erfahren kann. Der Überlapp zwischen Lasermode und Pumpvolumen beträgt vorzugsweise 30% oder mehr. Das Pumpvolumen ist im Wesentlichen durch die räumliche Ausdehnung eines in den Resonator eingekoppelten Pump- Laserstrahls definiert. One possibility for implementing a resonator length varying in the lateral direction is by a slight tilting of the reflection elements, in particular the resonator mirrors. The tilting of the reflection elements or the resonator mirror is to be chosen so small that the laser mode and the At least partially overlap pump volume, so that the laser mode can experience a gain. The overlap between laser mode and pump volume is preferably 30% or more. The pumping volume is essentially defined by the spatial extent of a pumping laser beam coupled into the resonator.
Bei zueinander verkippten, im Wesentlich plan ausgeführten Reflexionselementen bzw. Resonatorspiegeln wäre zunächst zu erwarten, dass der so gebildete Resonator die Stabilitätskriterien nicht erfüllt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieser Effekt durch die beim Betrieb der Laservorrichtung entstehende thermische Linse kompensiert werden kann, die in an sich bekannter Weise von im optischen Medium absorbierter Laserstrahlung des eingekoppelten Pump- Laserstrahls verursacht wird. Dieser Effekt bewirkt eine Ablenkung der im Resonator umlaufenden Lasermode in Abhängigkeit ihrer lateralen Position der- art, dass die Lasermode nach einem Umlauf im Wesentlichen wieder auf die bereits zuvor durchlaufene Trajektorie geführt wird. Ist die Variation der Resonatorlänge bzw. die Verkippung der Resonatorspiegel hinreichend klein, so ist weiterhin ein für die Verstärkung hinreichend großer Überlapp zwischen Pumpvolumen und umlaufender Lasermode sichergestellt. In the case of reflection elements or resonator mirrors which are tilted towards one another and essentially planar, it would initially be expected that the resonator thus formed would not meet the stability criteria. However, it has been shown that this effect can be compensated for by the thermal lens produced during operation of the laser device, which is caused in a manner known per se by laser radiation of the pumped laser beam absorbed in the optical medium. This effect causes a deflection of the laser mode rotating in the resonator as a function of its lateral position such that after one revolution the laser mode is guided substantially back to the previously traversed trajectory. If the variation of the resonator length or the tilting of the resonator mirrors is sufficiently small, then a sufficiently large overlap between the pump volume and the circulating laser mode is ensured for the amplification.
Durch die leichte Verkippung der Resonatorspiegel kann die zur Justierung benötigte, geringe Längenänderung der Resonatorlänge in Propagationsrichtung in eine größere Änderung quer, also lateral dazu übersetzt werden. Beträgt die Verkippung beispielsweise 0,5 mrad, so entspricht eine Änderung der Re- sonatorlänge um 47 nm einer lateralen Verschiebung von etwa 94 pm. Diese größere Verschiebung quer zur Strahlrichtung lässt sich bedeutend leichter justieren und dauerhaft stabilisieren als eine unmittelbare Justierung der Resonatorspiegel in Propagations- bzw. Strahlrichtung, die in diesem Fall auf wenige Nanometer genau sein muss. Due to the slight tilting of the resonator mirror, the small change in length of the resonator length in the direction of propagation required for adjustment can be translated into a larger change transversely, ie laterally thereto. If, for example, the tilting is 0.5 mrad, a change in the resonator length of 47 nm corresponds to a lateral displacement of approximately 94 pm. This larger displacement transversely to the beam direction can be much easier to adjust and permanently stabilize than an immediate adjustment of the resonator in propagation or beam direction, which must be accurate to a few nanometers in this case.
Die Verkippung der Resonatorspiegel zueinander beträgt beispielsweise 0, 1 bis 5 mrad, bevorzugt 0, 1 bis 1 mrad, besonders bevorzugt 0,2 bis 0,5 mrad. Dabei kann beispielsweise der gesamte optische Resonator gegenü ber einem ortsfesten Pump-Laserstrahl verschoben werden oder der Pump-Laserstrahl gegen einen ortsfesten optischen Resonator verschoben werden. In anderen Ausführu ngsbeispielen wird die geringfügige laterale Variation der Resonatorlänge du rch die im Resonator angeordneten optischen Medien realisiert. Die Ausdehnung der optischen Med ien in Propagationsrichtung ist hierbei fü r verschiedene laterale Position unterschiedl ich, so dass der vom Pump- Laserstrahl d urchlaufene optische Weg leicht variiert. Eine Justierung kann auch hier in besonders vorteilhafter Weise dadu rch erfolgen, dass d ie laterale Position des Pump-Laserstrahls solange verändert wird, bis d ie gewünschte Resonatormode bzw. die gewünschten Resonatormoden verstärkt werden . The tilting of the resonator mirrors with respect to each other is for example 0, 1 to 5 mrad, preferably 0, 1 to 1 mrad, particularly preferably 0.2 to 0.5 mrad. In this case, for example, the entire optical resonator can be moved opposite a stationary pump laser beam or the pump laser beam can be displaced against a stationary optical resonator. In other embodiments, the slight lateral variation of the resonator length is realized by the optical media disposed in the resonator. The extent of the optical media in the propagation direction is different for different lateral positions, so that the optical path traveled by the pumping laser beam d varies slightly. An adjustment can also be made here in a particularly advantageous manner so that the lateral position of the pump laser beam is changed until the desired resonator mode or the desired resonator modes are amplified.
Das erste u nd das zweite Reflexionselement sind vorzugsweise als Spiegel ausgeführt, deren im Wesentl ichen eben ausgebildete Spiegelflächen abweichend von einer planparal lelen Anord nu ng zueinander verkippt ausgerichtet sind . The first and the second reflection element are preferably designed as a mirror, whose essentially mirror-shaped mirror surfaces are aligned differently tilted from a planparal lelen Anord nu ng to each other.
Besonders bevorzugt sind das erste und das zweite Reflexionselement in einem derart kleinen Winkel zueinander angeordnet, dass ein zu mindest näherungsweise stabiler Resonator gebildet ist. Diese Ausführu ng betrifft somit im Wesentl ichen ein Fabry-Perot-Resonator, da die Abweichu ng von der planparal lelen Ausrichtu ng derart klein ist, dass keine relevante Beeinträchtigu ng der Stabil itätskriterien erfolgt. Particularly preferably, the first and the second reflection element are arranged at such a small angle to one another that a resonator that is at least approximately stable is formed. This embodiment thus essentially relates to a Fabry-Perot resonator, since the deviation from the plane-parallel alignment is so small that no relevant impairment of the stability criteria takes place.
In Weiterbildu ng der Erfind ung ist vorgesehen, das erste u nd/oder zweite Reflexionselement zu r Ausbildu ng eines stabilen Resonators zu mindest abschnittsweise eine Krü mmung aufweisen . Eine geringfügige Krü mmung bewirkt eine Veränderu ng des Durchmessers eines von der im Resonator umlaufenden Lasermode definierten Modenvolu mens. Die Krü mmung des Reflexionselements bzw. der Reflexionselemente ist vorzugsweise derart gewählt, dass der Durchmesser des Modenvolumens optimal an den Du rchmesser des Pumpvolu mens angepasst ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das optische Medium einen Laserkristall, dessen im Wesentlichen ebene, dem ersten und dem zweiten Reflexionselement stirnseitig zugewandte Seitenflächen zueinander in einer von einer planparallelen Anordnung abweichenden Anordnung verlaufen. Hier ist somit die Variation der Resonatorlänge nicht von der Anordnung der Reflexionselemente vorgegeben, sondern von der longitudinalen Ausdehnung des beim Umlauf transmittierten Bereichs des Laserkristalls. In einem möglichen Ausführungsbeispiel ist der Laserkristall im Wesentlichen keilförmig ausgestal- tet, so dass je nach lateraler Position des Pump-Laserstrahls ein unterschiedlich langer optischer Weg zurückgelegt werden muss. In a further development of the invention, it is provided that the first and / or second reflection element have at least sections of a configuration for forming a stable resonator. A slight curvature causes a change in the diameter of a mode volume defined by the laser mode rotating in the resonator. The Krü mmung of the reflection element or the reflection elements is preferably selected such that the diameter of the mode volume is optimally adapted to the Du rchmesser the Pumpvolu mens. In a further exemplary embodiment, the optical medium comprises a laser crystal, whose substantially planar side surfaces facing the first and the second reflection element extend in an arrangement deviating from a plane-parallel arrangement. Here, therefore, the variation of the resonator length is not predetermined by the arrangement of the reflection elements, but by the longitudinal extent of the area of the laser crystal transmitted during the circulation. In one possible embodiment, the laser crystal is substantially wedge-shaped, so that depending on the lateral position of the pump laser beam, a different length of optical path has to be covered.
Aus Gründen der vereinfachten Justierung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das optische Medium fest mit dem ersten und/oder dem zweiten Reflexions- element zu verbinden. Das optische Medium ist fest, insbesondere unlösbar mittels Diffusionsbonden, Spin-On Glass oder anderen an sich bekannten Fügetechniken mit einem der Reflexionselemente verbunden, um die Anzahl der zu kalibrierenden Freiheitsgrade zu reduzieren. Zudem sind Luftspalte innerhalb des Resonators zumindest teilweise vermieden, die Stabilitätsprobleme auf Grund der betriebsbedingt auftretenden thermischen Ausdehnung verursachen können. For reasons of simplified adjustment, it has proved to be advantageous to connect the optical medium firmly to the first and / or the second reflection element. The optical medium is fixed, in particular insoluble by means of diffusion bonding, spin-on glass or other joining techniques known per se connected to one of the reflection elements in order to reduce the number of degrees of freedom to be calibrated. In addition, air gaps within the resonator are at least partially avoided, which can cause stability problems due to the operationally occurring thermal expansion.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erste oder zweite Reflexionselement ein sättigbarer Absorber. Der sättigbare Absorber fungiert als passives Schaltelement, insbesondere als hochreflektierender Rückseitenspiegel oder als passives Auskoppelelement, welches sein Transmissionsverhalten für die im Resonator verstärkte Laserstrahlung sprunghaft ändert, wenn die Energiedichte innerhalb des Resonators einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Der optische Resonator ist somit als passiv geschalteter Laserre- sonator ausgebildet, um Laserpulse mit hoher Intensität und kurzen Pulsdauern zu erzeugen. Hinsichtlich des Verfahrens wird die vorstehend genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Justieren einer Laservorrichtung mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 8. Der Pump-Laserstrahl wird in den optischen Resonator derart eingekoppelt, dass dieser innerhalb des optischen Resonators im Wesentlichen parallel zur longitudinalen Richtung propagiert. Gemäß der Erfindung wird die Position der Pump-Laserstrahls zumindest bezüglich der senkrecht zur longitudinalen Richtung verlaufenden lateralen Richtung verändert, um einen Bereich des opti- sehen Resonators mit einer vorgebbaren optischen Resonatorlänge auszuwählen. Die gewünschte Resonatorlänge wird insbesondere hinsichtlich der zu verstärkenden Resonatormoden selektiert, es ist somit vorgesehen, einen Teilbereich des optischen Resonators derart gezielt zu aktivieren, dass die Wellenlänge bzw. -längen von einer oder mehreren vorgegebenen Resonatormoden innerhalb des Gewinnspektrums des optischen Mediums liegt bzw. liegen. According to a preferred embodiment, the first or second reflection element is a saturable absorber. The saturable absorber acts as a passive switching element, in particular as a highly reflective rear mirror or as a passive decoupling element, which changes its transmission behavior for the laser radiation amplified in the resonator abruptly when the energy density within the resonator exceeds a predefinable threshold. The optical resonator is thus designed as a passively switched laser resonator in order to generate laser pulses with high intensity and short pulse durations. With regard to the method, the above object is achieved by a method for adjusting a laser device with the further features of claim 8. The pump laser beam is coupled into the optical resonator such that it propagates within the optical resonator substantially parallel to the longitudinal direction. According to the invention, the position of the pump laser beam is changed, at least with respect to the lateral direction perpendicular to the longitudinal direction, in order to select a region of the optical resonator with a prescribable optical resonator length. The desired resonator length is selected in particular with regard to the resonator modes to be amplified, it is thus intended to selectively activate a subregion of the optical resonator such that the wavelength or wavelengths of one or more predetermined resonator modes lie or lie within the gain spectrum of the optical medium ,
Im Folgenden werden mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen : Fig . 1 : einen optischen Resonator gemäß einem ersten Ausführungs- beispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung; In the following, possible embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. FIG. 1: an optical resonator according to a first embodiment of the invention in a schematic sectional view;
Fig . 2 einen optischen Resonator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;  Fig. FIG. 2 shows an optical resonator according to a second embodiment; FIG.
Fig . 3 einen optischen Resonator gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;  Fig. FIG. 3 shows an optical resonator according to a third embodiment; FIG.
Fig . 4 einen optischen Resonator gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;  Fig. 4 shows an optical resonator according to a fourth embodiment;
Fig . 5 einen optischen Resonator gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;  Fig. 5 shows an optical resonator according to a fifth embodiment;
Fig . 6 einen optischen Resonator gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel; einen optischen Resonator gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel; Fig. FIG. 6 shows an optical resonator according to a sixth embodiment; FIG. an optical resonator according to a seventh embodiment;
einen optischen Resonator gemäß einem achten Ausführungsbeispiel;  an optical resonator according to an eighth embodiment;
einen optischen Resonator gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel;  an optical resonator according to a ninth embodiment;
einen optischen Resonator gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel;  an optical resonator according to a tenth embodiment;
einen optischen Resonator gemäß einem elften Ausführungsbeispiel;  an optical resonator according to an eleventh embodiment;
einen optischen Resonator gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel;  an optical resonator according to a twelfth embodiment;
schematisch eine Laservorrichtung mit einem der in Figuren 1 bis 8 gezeigten optischen Resonatoren und einer Einrichtung zum Einkoppeln eines Pump-Laserstrahls;  schematically a laser device with one of the optical resonators shown in Figures 1 to 8 and a device for coupling a pump laser beam;
schematisch eine weitere Laservorrichtung mit einem der in Figuren 1 bis 12 gezeigten optischen Resonatoren;  schematically another laser device with one of the optical resonators shown in Figures 1 to 12;
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszei- chen versehen. Corresponding parts are provided with the same reference numbers in all figures.
Figur 1 zeigt einen optischen Resonator 1 gemäß einer ersten Ausführung. Der optische Resonator 1 umfasst ein erstes Reflexionselement 2 und ein zweites Reflexionselement 3. Zwischen den beiden Reflexionselementen 2, 3 ist ein optisch aktives Medium 4 angeordnet. Im vorliegenden Fall ist das zur Laserverstärkung vorgesehene optisch aktive Medium 4 ein Laserkristall. FIG. 1 shows an optical resonator 1 according to a first embodiment. The optical resonator 1 comprises a first reflection element 2 and a second reflection element 3. An optically active medium 4 is arranged between the two reflection elements 2, 3. In the present case, the optically active medium 4 provided for laser amplification is a laser crystal.
Das erste Reflexionselement 2 ist als Auskoppelspiegel ausgeführt, der durch einen Luftspalt 8 vom optischen Medium 4 bzw. vom Laserkristall getrennt ist. Das optische Medium ist wiederum durch einen weiteren Luftspalt 9 vom zweiten Reflexionselement 3 getrennt, welches als Rückseitenspiegel ausgeführt ist. Der als optisches Medium 4 fungierende Laserkristall weist zwei planparallel zueinander angeordnete Stirnseiten 5, 6 auf. Das als Auskoppelspiegel aus- geführte erste Reflexionselement 2 und das als Rückseitenspiegel ausgeführte zweite Reflexionselement 3 sind zueinander verkippt angeordnet und stehen somit unter einem spitzen Winkel zueinander. Der zwischen dem zweiten Reflexionselement 3 und der der Stirnfläche 6 des optischen Mediums 4 verlau- fende weitere Luftspalt 9 ist keilförmig. The first reflection element 2 is designed as a coupling-out mirror, which is separated by an air gap 8 from the optical medium 4 or from the laser crystal. The optical medium is in turn separated by a further air gap 9 from the second reflection element 3, which is designed as a rear mirror. The laser crystal acting as the optical medium 4 has two end faces 5, 6 arranged plane-parallel to each other. The output as output mirror guided first reflection element 2 and designed as a rear mirror second reflection element 3 are arranged tilted to each other and thus are at an acute angle to each other. The further air gap 9 extending between the second reflection element 3 and the end face 6 of the optical medium 4 is wedge-shaped.
In anderen Ausführungen ist der Luftspalt 8 zwischen dem optischen Medium 4 und dem als Rückseitenspiegel ausgeführten zweiten Reflexionselement 3 keilförmig oder beide Luftspalte 8, 9 sind keilförmig. In other embodiments, the air gap 8 between the optical medium 4 and the second reflection element 3 designed as a rear mirror is wedge-shaped or both air gaps 8, 9 are wedge-shaped.
Das als Laserkristall ausgeführte optische Medium 4 kann beschichtet sein, um eine definierte Reflektivität für das Signal- und/oder Pumplicht zu erzielen. The optical medium 4 embodied as a laser crystal can be coated in order to achieve a defined reflectivity for the signal and / or pump light.
Entweder weist das erste oder das zweite Reflexionselement 2, 3 eine hohe Transmission für die Wellenlänge des Pumplichts bzw. des Pump-Laserstrahls auf. In möglichen alternativen Ausführungsformen ist entweder das erste oder das zweite Reflexionselement 2, 3 als sättigbarer Absorber ausgeführt. Die Reflexionselemente 2, 3 des in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiels sind Spiegel mit planen Spiegelflächen 10, 11, die zueinander verkippt sind. In einem anderen Ausführungsbeispiel weisen die Spiegelflächen 10, 11 eine geringfügige Krümmung auf, um das von der im optischen Resonator umlaufenden Lasermode beanspruchte Modenvolumen an das von dem Pump-Laserstrahl definierte Pumpvolumen anzupassen. Es versteht sich, dass die in den Figuren 1 bis 14 gezeigte schematische Darstellung insbesondere des optischen Resonators 1 nicht maßstabsgetreu ist. Insbesondere ist die Verkippung der Reflexionselemente 2, 3 zueinander bzw. die keilförmige Ausbildung des optisch aktiven Mediums 4 und/oder die dazwischen liegenden Luftspalte 8, 9 stark überzeichnet dargestellt, um die Variati- on der Resonatorlänge für unterschiedliche Positionen des Pump-Laserstrahls bezüglich einer lateraler Richtung L zu veranschaulichen. In der tatsächlichen Implementierung, insbesondere bei Mikrochip-Festkörperlasern, variiert die vom Pump-Laserstrahl pro Umlauf transmittierte Resonatorlänge nur geringfü- gig, beispielsweise um etwa 10 nm bis 100 nm. Der Pump-Laserstrahl propagiert innerhalb des optischen Resonators 1 im Wesentlichen in longitudinaler Richtung P. Die Verkippung der beiden Reflexionselemente 2, 3 hat keinen merklichen Einfluss auf die Stabilität des gebildeten optischen Resonators 1. Either the first or the second reflection element 2, 3 has a high transmission for the wavelength of the pump light or the pump laser beam. In possible alternative embodiments, either the first or the second reflection element 2, 3 is designed as a saturable absorber. The reflection elements 2, 3 of the embodiment shown in Figure 2 are mirrors with flat mirror surfaces 10, 11, which are tilted to each other. In another embodiment, the mirror surfaces 10, 11 have a slight curvature in order to adapt the mode volume claimed by the laser mode circulating in the optical resonator to the pumping volume defined by the pump laser beam. It is understood that the schematic representation shown in FIGS. 1 to 14, in particular of the optical resonator 1, is not true to scale. In particular, the tilting of the reflection elements 2, 3 relative to one another or the wedge-shaped formation of the optically active medium 4 and / or the air gaps 8, 9 between them is shown greatly oversubscribed in order to vary the resonator length for different positions of the pump laser beam with respect to one another lateral direction L to illustrate. In the actual implementation, especially in microchip solid-state lasers, the resonator length transmitted by the pump laser beam per revolution varies only slightly. The pumping laser beam propagates within the optical resonator 1 essentially in the longitudinal direction P. The tilting of the two reflection elements 2, 3 has no noticeable influence on the stability of the formed optical resonator 1.
Die Figuren 2 bis 10 zeigen weitere exemplarische Ausführungsformen des optischen Resonators 1. Diese Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im Wesentlichen in der spezifischen Anordnung der Reflexionselemente 2,3 zueinander bzw. in der spezifischen geometrischen Ausbildung des optisch aktiven Mediums 4, d. h. des Laserkristalls. Das optische Medium 4 ist gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele keilförmig ausgebildet, d. h. die beiden Stirnflächen 5, 6 des optischen Mediums 4 verlaufen nicht planparallel zueinander, sondern zueinander in einem Winkel . Derartige Ausführungen definieren auch eine für unterschiedliche laterale Positionen variierende Resonatorlänge. FIGS. 2 to 10 show further exemplary embodiments of the optical resonator 1. These exemplary embodiments differ essentially in the specific arrangement of the reflection elements 2, 3 relative to one another or in the specific geometric design of the optically active medium 4, ie. H. of the laser crystal. The optical medium 4 is wedge-shaped according to various embodiments, d. H. the two end faces 5, 6 of the optical medium 4 do not run plane-parallel to each other, but at an angle to each other. Such embodiments also define a varying resonator length for different lateral positions.
Figur 2 zeigt einen optischen Resonator 1 gemäß einer zweiten Ausführung. Das als Auskoppelspiegel ausgeführte erste Reflexionselement 2 ist durch den Luftspalt 8 vom optisch aktiven Medium 4 getrennt. Das optisch aktive Medium 4 ist wiederum durch den Luftspalt 9 vom zweiten Reflexionselement 3, welches als Rückseitenspiegel ausgeführt ist, getrennt. Das optisch aktive Medium 4 ist ein keilförmiger Laserkristall. FIG. 2 shows an optical resonator 1 according to a second embodiment. The first reflection element 2 designed as output mirror is separated from the optically active medium 4 by the air gap 8. The optically active medium 4 is in turn separated by the air gap 9 from the second reflection element 3, which is designed as a rear-side mirror. The optically active medium 4 is a wedge-shaped laser crystal.
Die Spiegelfläche 10 des ersten Reflexionselements 2 bzw. des Auskoppelspiegels verläuft planparallel bezüglich der gegenüberliegenden Stirnseite 5 des optischen Mediums 4. The mirror surface 10 of the first reflection element 2 or the Auskoppelspiegels extends plane-parallel with respect to the opposite end face 5 of the optical medium 4th
Das als Rückseitenspiegel ausgeführte zweite Reflexionselement 3 verläuft planparallel zur gegenüberliegenden Stirnseite 6 des optischen Mediums 4. Alternativ hierzu kann die Stirnseite 6, wie im Ausführungsbeispiel der Figur 3 illustriert, bezüglich dem zweiten Reflexionselement 3 in einem Winkel angeordnet sein. Auskoppelspiegel und Rückseitenspiegel können planparallel zueinander stehen (Figur 3), oder, wie in Figur 2 illustriert, einen Winkel zueinander bilden. In einer vierten, in Figur 4 gezeigten Ausführung ist das erste Reflexionselement 2, welches als Auskoppelspiegel ausgebildet ist, untrennbar mit dem optischen Medium 4 verbunden. Die untrennbare Verbindung zwischen dem opti- sehen Medium 4 und dem ersten Reflexionselement 2 kann beispielsweise durch eine dielektrische Beschichtung auf dem als Laserkristall ausgeführten optischen Medium 4 realisiert sein, oder durch Bonden oder Kleben eines Auskoppelspiegels auf den Laserkristall. Das optische Medium 4 bzw. der Laserkristall ist durch den Luftspalt 9 vom zweiten Reflexionselement 3 getrennt, welches als Rückseitenspiegel dient. Der Laserkristall ist in diesem Fall planparallel, der Luftspalt 9 ist keilförmig. Die dem ersten Reflexionselement 2 gegenüberliegende Seite des optisch aktiven Mediums 4 kann beschichtet sein, um eine definierte Reflektivität für das Signal- und/oder Pumplicht zu erzielen. The second reflecting element 3 embodied as a rear mirror is plane-parallel to the opposite end face 6 of the optical medium 4. Alternatively, the end face 6, as illustrated in the embodiment of FIG. 3, may be arranged at an angle relative to the second reflecting element 3. Outcoupling mirror and rear mirror can be plane-parallel to each other (Figure 3), or, as illustrated in Figure 2, form an angle to each other. In a fourth embodiment shown in FIG. 4, the first reflection element 2, which is designed as a coupling-out mirror, is inseparably connected to the optical medium 4. The inseparable connection between the optical medium 4 and the first reflection element 2 can be realized, for example, by a dielectric coating on the optical medium 4 designed as a laser crystal, or by bonding or gluing a coupling-out mirror onto the laser crystal. The optical medium 4 or the laser crystal is separated by the air gap 9 from the second reflection element 3, which serves as a back mirror. The laser crystal is plane-parallel in this case, the air gap 9 is wedge-shaped. The side of the optically active medium 4 opposite the first reflection element 2 can be coated in order to achieve a defined reflectivity for the signal and / or pump light.
Auch in dem fünften Ausführungsbeispiel, welches in Figur 5 gezeigt ist, ist das erste Reflexionselement 2 untrennbar mit dem optischen Medium 4 verbunden. Im Gegensatz zu dem in Figur 4 gezeigten Beispiel verläuft das zweite Reflexionselement 3 bzw. dessen plane Spiegelfläche 11 parallel zur gegenüberliegenden Stirnfläche 6 des optischen Mediums 4. Im sechsten Ausführungsbeispiel der Figur 6 verläuft die Spiegelfläche 11 des zweiten Reflexionselements 3 bezüglich der Stirnseite 6 des optischen Mediums 4 in einem spitzen Winkel. Im fünften und im sechsten Ausführungsbeispiel ist das optische Medium 4 keilförmig ausgebildet, dessen Stirnseiten zueinander in einem Winkel verlaufen. Also in the fifth embodiment, which is shown in Figure 5, the first reflection element 2 is inseparably connected to the optical medium 4. In contrast to the example shown in FIG. 4, the second reflection element 3 or its plane mirror surface 11 extends parallel to the opposite end surface 6 of the optical medium 4. In the sixth exemplary embodiment of FIG. 6, the mirror surface 11 of the second reflection element 3 extends with respect to the end face 6 of the optical element Medium 4 at an acute angle. In the fifth and sixth embodiments, the optical medium 4 is wedge-shaped whose end faces extend at an angle to one another.
In einer siebten Ausführung, die in Figur 7 schematisch illustriert ist, ist das als Auskoppelspiegel dienende erste Reflexionselement 2 durch einen Luft- spalt 8 vom optischen Medium 4 beabstandet. Das optische Medium 4 ist planparallel, der Luftspalt 8 ist keilförmig. Das als Rückseitenspiegel ausgebildete zweite Reflexionselement 3 ist untrennbar mit dem optischen Medium 4 verbunden. Dies kann z. B. durch eine dielektrische Beschichtung auf dem Laser- kristall realisiert sein, oder durch Bonden oder Kleben des Rückseitenspiegels auf den Laserkristall. Die freie Stirnseite 5 des Laserkristalls kann beschichtet sein, um eine definierte Reflektivität für das Signal- und/oder Pumplicht zu erzielen. In a seventh embodiment, which is illustrated schematically in FIG. 7, the first reflection element 2 serving as a coupling-out mirror is separated from the optical medium 4 by an air gap 8. The optical medium 4 is plane-parallel, the air gap 8 is wedge-shaped. The second reflection element 3 designed as a rear-view mirror is inseparably connected to the optical medium 4. This can be z. B. by a dielectric coating on the laser be realized crystal, or by bonding or gluing the rear mirror on the laser crystal. The free end face 5 of the laser crystal can be coated in order to achieve a defined reflectivity for the signal and / or pump light.
In dem in Figur 8 gezeigten, achten Ausführungsbeispiel ist das als Auskoppelspiegel ausgeführte erste Reflexionselement 2 durch den Luftspalt 8 vom optischen Medium 4 getrennt. Dasa optische Medium 4 ist keilförmig, der Luftspalt ist, wir in Figur 8 gezeigt, planparallel oder alternativ dazu, wie in Figur 9 ge- zeigt, keilförmig. Das als Rückseitenspiegel ausgeführte zweite Reflexionselement 3 ist im achten bzw. neunten Ausführungsbeispiel der Figur 8 bzw. 9 untrennbar mit dem optischen Medium 4 verbunden. Dies kann z. B. durch eine dielektrische Beschichtung auf dem Kristall realisiert sein, oder durch Bonden oder Kleben eines Rückseitenspiegels auf den Kristall. Die freie Stirnseite 5 des Laserkristalls kann beschichtet sein, um eine definierte Reflektivität für das Signal- und/oder Pumplicht zu erzielen. Entweder der Auskoppel- oder der Rückseitenspiegel ist derart ausgeführt, dass dieser eine hohe Transmission für das Pumplicht hat. Entweder der Auskoppel- oder der Rückseitenspiegel kann als sättigbarer Absorber ausgeführt sein. Die Resonatorspiegel sind vor- zugsweise plan, können aber auch eine Krümmung aufweisen, die so gering ist, dass ein stabiler Resonator 1 entsteht. In the eighth exemplary embodiment shown in FIG. 8, the first reflection element 2 designed as a coupling-out mirror is separated from the optical medium 4 by the air gap 8. Dasa optical medium 4 is wedge-shaped, the air gap is, as shown in Figure 8, plane-parallel or alternatively, as shown in Figure 9, wedge-shaped. The second reflecting element 3, which is designed as a rear-side mirror, is inseparably connected to the optical medium 4 in the eighth or ninth embodiment of FIGS. 8 and 9, respectively. This can be z. B. be realized by a dielectric coating on the crystal, or by bonding or gluing a back mirror on the crystal. The free end face 5 of the laser crystal can be coated in order to achieve a defined reflectivity for the signal and / or pump light. Either the decoupling or the rear mirror is designed such that it has a high transmission for the pump light. Either the decoupling or the rear mirror can be designed as a saturable absorber. The resonator mirrors are preferably planar, but may also have a curvature that is so small that a stable resonator 1 is formed.
In einem zehnten Ausführungsbeispiel, welches in Figur 10 schematisch dargestellt ist, sind das als Auskoppelspiegel dienende erste Reflexionselement 2 und das als Rückseitenspiegel dienende zweite Reflexionselement 3 untrennbar mit dem als Laserkristall ausgeführten optischen Medium 4 verbunden. Die ersten und zweiten Reflexionselemente 2, 3 sind durch dielektrische Beschichtung auf dem optischen Medium 4 realisiert. Auch im zehnten Ausführungsbeispiel weist der als optisches Medium 4 fungierende Laserkristall eine keilförmige Gestalt auf. In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Reflexionselemente 2, 3 durch Bonden oder Kleben mit dem optischen Medium 4 verbunden. Der optische Resonator 1 enthält in Weiterbildung der Erfindung zusätzliche diskrete optische Elemente, wie beispielsweise aktive Güteschalter oder sättigbare Absorber 12. Eine derartige Modifikation des optischen Resonators 1 ist unabhängig von dessen konkreter Ausgestaltung vorgesehen, insbesondere sind sämtliche der in Figuren 1 bis 10 gezeigten Geometrien möglich. Die Reflexionselemente 2, 3 können davon unbenommen in jedem der gezeigten Beispiel als sättigbare Absorber ausgeführt sein. In a tenth exemplary embodiment, which is shown schematically in FIG. 10, the first reflection element 2 serving as a coupling-out mirror and the second reflection element 3 serving as a backside mirror are connected inseparably to the optical medium 4 designed as a laser crystal. The first and second reflection elements 2, 3 are realized by dielectric coating on the optical medium 4. Also in the tenth embodiment, the laser crystal functioning as the optical medium 4 has a wedge-shaped shape. In an alternative embodiment, the first and second reflection elements 2, 3 are connected to the optical medium 4 by bonding or gluing. The optical resonator 1 contains in a further development of the invention additional discrete optical elements, such as active Q-switches or saturable absorbers 12. Such a modification of the optical resonator 1 is provided independently of its concrete design, in particular all of the geometries shown in Figures 1 to 10 are possible , The reflection elements 2, 3 can be implemented as saturable absorbers in any of the examples shown.
Figur 11 und 12 illustrieren schematisch das elfte und das zwölfte Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung. Das optische Medium 4 ist ein dotierter Laserkristall, der mehrere Abschnitte 4a, 4b aufweist, welche sich hinsichtlich der Art ihrer Dotierung und/oder ihrer Dotierungskonzentration unterscheiden. Der erste Abschnitt 4a dient als Verstärkermedium, der den optischen Gewinn erzeugt. Der zweite Abschnitt 4b ist ein sättigbarer Absorber 12. Beide Abschnit- te 4a, 4b sind untrennbar miteinander verbunden. Figures 11 and 12 illustrate schematically the eleventh and twelfth embodiments of the invention. The optical medium 4 is a doped laser crystal which has a plurality of sections 4a, 4b which differ with respect to the nature of their doping and / or their doping concentration. The first section 4a serves as an amplifier medium which generates the optical gain. The second section 4b is a saturable absorber 12. Both sections 4a, 4b are inextricably linked.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist einer der beiden Abschnitte 4a, 4b undotiert. Der erste Abschnitt 4a und der zweite Abschnitt 4b sind mit Dotieratomen bzw. -ionen des gleichen chemischen Elements dotiert oder, in einer alternativen Ausführung mit Dotieratomen bzw. -ionen unterschiedlicher chemischer Elemente. In another embodiment, one of the two sections 4a, 4b is undoped. The first portion 4a and the second portion 4b are doped with doping atoms or ions of the same chemical element or, in an alternative embodiment, with doping atoms or ions of different chemical elements.
Das optische Medium 4 hat in einem möglichen, nicht näher dargestelltem Ausführungsbeispiel zusätzlich einen undotierten Abschnitt, der dazu dient, die Wärmeabfuhr aus dem laseraktiven ersten Abschnitt 4a zu verbessern. Zwischen den verschiedenen Kristallabschnitten können Beschichtungen zusätzlich aufgebracht sein, um eine definierte Reflektivität für das Signal- und/oder Pumplicht zu erzielen. Wie in Figur 11 und 12 exemplarisch dargestellt, können die Abschnitte 4a, 4b quader- oder keilförmig ausgebildet sein. Insbesondere kann der laseraktive erste Abschnitt 4a, wie in Figur 11 gezeigt, zwei planparallel gegenüberliegende Stirnflächen aufweisen und der sättigbare Absorber 12 keilförmig sein. Im zwölften Ausführungsbeispiel (Figur 12) ist der laseraktive erste Abschnitt 4a keilförmig und der sättigbare Absorber 12 ist quaderförmig mit planparallel gegenüberliegenden Stirnflächen. Figur 13 und 14 illustrieren schematische eine Laservorrichtung 20, die einen der vorstehend beschriebenen optischen Resonator 1 aufweisen. Lediglich exemplarisch ist in Figuren 13 und 14 das konkrete Ausführungsbeispiel der Figur 10 gezeigt, es versteht sich, dass sämtliche anderen der vorstehend beschriebenen optische Resonatoren 1 in analoger Weise in der Laservorrich- tung 20 zum Einsatz kommen können. The optical medium 4 has in a possible, unspecified exemplary embodiment additionally an undoped portion, which serves to improve the heat dissipation from the laser-active first section 4a. Coatings may additionally be applied between the different crystal sections in order to achieve a defined reflectivity for the signal and / or pump light. As shown by way of example in FIGS. 11 and 12, the sections 4a, 4b may be cuboid or wedge-shaped. In particular, the laser-active first section 4a, as shown in FIG. 11, can have two plane-parallel opposite end faces and the saturable absorber 12 can be wedge-shaped. in the twelfth embodiment (Figure 12), the laser-active first portion 4a is wedge-shaped and the saturable absorber 12 is parallelepiped with plane-parallel opposite end faces. FIGS. 13 and 14 schematically illustrate a laser device 20 having one of the optical resonators 1 described above. By way of example only, the concrete exemplary embodiment of FIG. 10 is shown in FIGS. 13 and 14, it being understood that all the other optical resonators 1 described above can be used in an analogous manner in the laser device 20.
Die Laservorrichtung 20 weist den optischen Resonator 1 auf, welcher eine optische Resonatorlänge definiert, die in Abhängigkeit der lateralen Positionierung eines eingekoppelten Pump-Laserstrahls S variiert. Der Pump- Laserstrahl S ist mittels der Einrichtung 21 in den optischen Resonator 1 ein- koppelbar, wobei die Positionierung des Pump-Laserstrahls S insbesondere hinsichtlich der lateralen Richtung L vorgegeben werden kann. Mit anderen Worten sind also die Einrichtung 21 und der optische Resonator 1 relativ zueinander derart verstellbar, dass der vom Pump-Laserstrahl S beim Umlauf im Resonanzraum transmittierte Bereich gezielt ausgewählt werden kann. Die relative Positionierung der Einrichtung 21 und des optischen Resonators 1 legt damit die effektive Resonatorlänge und damit den spektralen Modenabstand der zu verstärkenden Resonatormoden fest. In Figur 13 erfolgt die Justierung der Laservorrichtung 20 durch ein Verschieben des optischen Resonators 1 in lateraler Richtung L gegenüber einer ortsfesten Einrichtung 21, die den Pump-Laserstrahl S bereitstellt. Dies ist in Figur 13 durch den Doppelpfeil 22 angedeutet. In Figur 14 wird die Laservorrichtung 20 durch ein Verstellen der Einrichtung 21 gegenüber dem ortsfesten optischen Resonator 1 justiert. Auch hier wird ein Bereich des optischen Resonator 1 ausgewählt, der eine geeignete Resonatorlänge aufweist, indem die Positionierung des Pump-Laserstrahls S bezüglich der lateralen Richtung L eingestellt wird. The laser device 20 has the optical resonator 1, which defines an optical resonator length, which varies as a function of the lateral positioning of a coupled-pump laser beam S. The pump laser beam S can be coupled into the optical resonator 1 by means of the device 21, wherein the positioning of the pump laser beam S can be predetermined in particular with regard to the lateral direction L. In other words, therefore, the device 21 and the optical resonator 1 relative to each other are adjustable so that the area transmitted by the pumping laser beam S in circulation in the resonant space can be selected specifically. The relative positioning of the device 21 and the optical resonator 1 thus determines the effective resonator length and thus the spectral mode spacing of the resonator modes to be amplified. In FIG. 13, the laser device 20 is adjusted by displacing the optical resonator 1 in the lateral direction L with respect to a stationary device 21, which provides the pump laser beam S. This is indicated in Figure 13 by the double arrow 22. In FIG. 14, the laser device 20 is adjusted by adjusting the device 21 with respect to the stationary optical resonator 1. Again, a range of the optical resonator 1 is selected, which is a suitable Resonator length by the positioning of the pumping laser beam S with respect to the lateral direction L is set.
Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispie- le beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die konkrete Ausgestaltung der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr kann der zuständige Fachmann anhand der Beschreibung Variationen ableiten ohne von dem wesentlichen Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann, unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des in Figuren 1 bis 12 gezeigten optischen Resonators 1 zumindest ein der beiden Reflexionselemente 2,3 als sättigbarer Absorber 12 ausgeführt sein. Etwaige freie Stirnflächen 5, 6 des optischen Mediums 4 können mit Beschichtungen versehen sein, um die Reflektivität für das Pump- und/oder für das Signallicht für die Laserverstärkung geeignet anzupassen. Ferner können die schematisch illustrierten Resonatoren 1 eine geringfügige Krümmung aufweisen, so dass diese den Stabilitätskriterien entsprechen. The invention has been described above with reference to preferred Ausführungsbeispie- le. It is understood, however, that the invention is not limited to the specific embodiment of the exemplary embodiments shown, but rather the person skilled in the art can derive variations from the description without departing from the essential basic idea of the invention. In particular, regardless of the specific embodiment of the optical resonator 1 shown in FIGS. 1 to 12, at least one of the two reflection elements 2, 3 can be embodied as a saturable absorber 12. Any free end faces 5, 6 of the optical medium 4 may be provided with coatings in order to suitably adjust the reflectivity for the pumping and / or the signal light for the laser amplification. Furthermore, the schematically illustrated resonators 1 may have a slight curvature, so that they correspond to the stability criteria.
Bezugszeichen liste Reference number list
1 optischer Resonator1 optical resonator
2 erstes Reflexionselement2 first reflection element
3 zweites Reflexionselement3 second reflection element
4 optisches Medium 4 optical medium
5 Stirnfläche  5 face
6 Stirnfläche  6 face
8 Luftspalt  8 air gap
9 Luftspalt  9 air gap
10 Spiegelfläche  10 mirror surface
11 Spiegelfläche  11 mirror surface
12 sättigbarer Absorber 20 Laservorrichtung  12 saturable absorber 20 laser device
P longitudinale RichtungP longitudinal direction
L laterale Richtung L lateral direction
S Pump-Laserstrahl  S pumping laser beam

Claims

Patentansprüche claims
Laservorrichtung umfassend einen optischen Resonator (1) mit einem optischen Medium (4), welches zwischen einem ersten und einem zweiten Reflexionselement (2, 3) angeordnet ist, die voneinander in einer longitudinalen Richtung (P) beabstandet sind, wobei eine optische Resonatorlänge durch einen Abstand des ersten Reflexionselements (2) vom zweiten Reflexionselement (3) in longitudinaler Richtung (P) und einer longitudinalen Ausdehnung des dazwischen angeordneten Mediums (4) und dessen Brechungsindex vorgegeben ist und eine Einrichtung (21) zum Einkoppeln eines Pump-Laserstrahls (S) in den optischen Resonator (1), wobei der eingekoppelte Pump-Laserstahl (S) im optischen Resonator (1) parallel zur longitudinalen Richtung (P) propagiert, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Resonatorlänge des optischen Resonators (1) in zumindest einer senkrecht zur longitudinalen Richtung (P) verlaufenden lateralen Richtung (L) variiert und die Einrichtung (21) und der optische Resonator (1) derart zueinander verstellbar sind, dass die Position des eingekoppelten Pump-Laserstrahls (S) zumindest bezüglich der senkrecht zur longitudinalen Richtung (P) verlaufenden lateralen Richtung (L) veränderbar ist. A laser device comprising an optical resonator (1) having an optical medium (4) interposed between a first and a second reflection element (2, 3) spaced from each other in a longitudinal direction (P), an optical cavity length being separated by a Distance of the first reflection element (2) from the second reflection element (3) in the longitudinal direction (P) and a longitudinal extent of the intermediate medium (4) and its refractive index is predetermined and means (21) for coupling a pump laser beam (S) in the optical resonator (1), wherein the coupled pump laser steel (S) in the optical resonator (1) propagates parallel to the longitudinal direction (P), characterized in that the optical resonator length of the optical resonator (1) in at least one perpendicular to varies in the longitudinal direction (P) extending lateral direction (L) and the device (21) and the optical resonator (1) derar Are mutually adjustable, that the position of the coupled pump laser beam (S) at least with respect to the perpendicular to the longitudinal direction (P) extending lateral direction (L) is variable.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, Laser device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Reflexionselement (2, 3) als Spiegel ausgeführt sind, deren im Wesentlichen eben ausgebildete Spiegelflächen (10, 11) abweichend von einer planparallelen Anordnung zueinander verkippt ausgerichtet sind.  characterized in that the first and the second reflection element (2, 3) are designed as mirrors whose substantially flat mirror surfaces (10, 11) are aligned differently tilted from a plane-parallel arrangement to each other.
Laservorrichtung nach Anspruch 2, Laser device according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Reflexionselement (2, 3) in einem derart kleinen Winkel zueinander angeordnet sind, dass ein zumindest näherungsweise stabiler Resonator gebildet ist. Laservorrichtung nach Anspruch 1, characterized in that the first and second reflection element (2, 3) are arranged at such a small angle to one another that an at least approximately stable resonator is formed. Laser device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Reflexionselement (2, 3) zur Ausbildung eines stabilen Resonators zumindest abschnittsweise eine Krümmung aufweisen. characterized in that the first and / or second reflection element (2, 3) for forming a stable resonator at least partially have a curvature.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Laser device according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (4) einen Laserkristall umfasst, dessen im Wesentlichen ebene, dem ersten und dem zweiten Reflexionselement (2, 3) stirnseitig zugewandte Seitenflächen (5, 6) zueinander in einer von einer planparallelen Anordnung abweichenden Anordnung verlaufen. characterized in that the optical medium (4) comprises a laser crystal whose substantially planar, the first and the second reflection element (2, 3) frontally facing side surfaces (5, 6) extend to each other in an arrangement deviating from a plane-parallel arrangement.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Laser device according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (4) fest mit dem ersten und/oder dem zweiten Reflexionselement (2, 3) verbunden ist. characterized in that the optical medium (4) is fixedly connected to the first and / or the second reflection element (2, 3).
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Laser device according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder zweite Reflexionselement (2, 3) ein sättigbarer Absorber (12) ist. characterized in that the first or second reflection element (2, 3) is a saturable absorber (12).
Verfahren zum Justieren einer Laservorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Pump-Laserstrahl (S) in den optischen Resonator (1) derart eingekoppelt wird, dass dieser im optischen Resonator (1) im Wesentlichen parallel zur longitudinalen Richtung (P) propagiert, Method for adjusting a laser device (20) according to one of Claims 1 to 7, a pump laser beam (S) being coupled into the optical resonator (1) in such a way that it is substantially parallel to the longitudinal direction (3) in the optical resonator (1). P) propagates,
dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Pump-Laserstrahls (S) zumindest bezüglich der senkrecht zur longitudinalen Richtung (P) verlaufenden lateralen Richtung (L) verändert wird, um einen Bereich des optischen Resonators (1) mit einer vorgebbaren optischen Resonatorlänge auszuwählen. characterized in that the position of the pumping laser beam (S) is changed at least with respect to the lateral direction (L) perpendicular to the longitudinal direction (P) to select a portion of the optical resonator (1) having a presettable optical resonator length.
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